(57)【要約】【課題】  コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる熱発電システムを提供する。【解決手段】  熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８から噴射させる。ノズル８から噴射した蒸気によってタービン５を回転駆動させ、タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａを回転させることにより、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。コレクタ１の熱エネルギーを吸収して作動媒体３を加熱する部分である加熱部１２を、互いにエネルギー密度が異なり、コレクタ１の入口側および出口側となる複数の加熱部１２Ａ，１２Ｂからなるものとする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、
前記コレクタの熱エネルギーを吸収して作動媒体を加熱する部分である加熱部を、互いにエネルギー密度が異なり、コレクタの入口側および出口側となる複数の加熱部からなるものとしたことを特徴とする熱発電システム。
【請求項２】
請求項１において、各加熱部のエネルギー密度は、コレクタの入口側の加熱部を低く、出口側の加熱部を高くした熱発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、コレクタの入口側の加熱部の内部で作動媒体を循環させる循環手段を設けた熱発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記コレクタにおける前記加熱部をコレクタ外装体内に配置し、このコレクタ外装体内を真空引きする手段を設けた熱発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、非接触軸受によって支持した熱発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記発電機の回転部部と静止部分との間の一部に隔壁を有する熱発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記タービンは前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成した熱発電システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱発電システムの従来例として、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている（例えば特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開２００２−２４２６９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０５１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２２７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した各太陽熱発電システムでは、いずれも得られる熱エネルギーが小さくエネルギー密度が低いため、熱エネルギーを吸収して作動媒体を加熱するコレクタ部とは別に、ヒータなどを用いて作動媒体を加熱して高圧蒸気にする必要があった。
【０００４】
また、次の各問題があった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、多くのエネルギーを獲得する対策として、例えばコレクタ面積を大きくしたり、図７のように、コレクタ部３１を循環する作動媒体３Ａの循環路３４Ａと、タービン３５を循環する作動媒体３Ｂの循環路３４Ｂとを別々に設け、コレクタ部３１によって加熱された作動媒体３Ａの熱を、熱交換器４０を介してタービン３５側の作動媒体３Ｂに与える構成とする必要があった。この場合、システムが大型化してしまう。
・例えばコレクタ部での作動媒体の加熱構造として、加熱している平板間の中に作動媒体を流す場合、一般に流速が速い方が熱伝達率は高くなる。そのため、コレクタ部では作動媒体の流速を速くした方が効率良く、熱エネルギーを作動媒体へ伝達できる。しかし、作動媒体を直接加熱するシステムでは、ノズルから噴出する流量によってコレクタ部での流速が決まってしまうという問題があった。また、作動媒体を間接的に加熱するシステムでは、図７のようにコレクタ部３１で熱量を与えられた作動媒体３Ａの熱を、熱交換器４０を通してタービン３５側の作動媒体３Ｂに与える必要があった。
・コレクタ部では自然対流による熱損失があるため、熱獲得効率が低下するという問題があった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、作動媒体として、気化し易い有機媒体あるいは沸点の低い有機媒体、例えばアンモニア、代替フロン、アルコール、アセトンなどの溶剤が使用される。ところが、このような作動媒体を使用した場合、高熱のため、タービンを回転支持する軸受用の潤滑剤の保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
・また、これらの溶剤によって発電機ステータ部のコイル、もしくはこのコイルを保護しているモールド樹脂が劣化するといった問題もあった。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギーが小さく、エネルギー密度が低いため、タービン部材の質量および慣性モーメントが大きいと、回転起動が難しいといった問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる熱発電システムを提供することである。
この発明の他の目的は、上記各問題を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記コレクタの熱エネルギーを吸収して作動媒体を加熱する部分である加熱部を、互いにエネルギー密度が異なり、コレクタの入口側および出口側となる複数の加熱部からなるものとしたことを特徴とする。各加熱部のエネルギー密度は、例えばコレクタの入口側の加熱部を低く、出口側の加熱部を高くする。熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムであっても良い。
コレクタによって獲得した熱エネルギーを、コレクタ内の加熱部で作動媒体に与えて作動媒体の蒸気圧力を高める場合の加熱過程として、作動媒体の液体温度を上昇させる過程（１）と、作動媒体を液体から蒸気にする過程（２）と、蒸気になった作動媒体の温度を上昇させる過程（３）がある。加熱部を、吸収熱エネルギー密度の低いコレクタ入口側の加熱部と、吸収熱エネルギー密度の高いコレクタ出口側の加熱部とで構成すると、これらの加熱部により上記したそれぞれの過程の加熱が次のように分担して行われる。すなわち、作動媒体の沸点まで温度を上昇させれば良い過程（１），（２）の加熱は、吸収熱エネルギー密度の低いコレクタ入口側の加熱部で行われ、蒸気になった作動媒体の温度をさらに上昇させる過程（３）の加熱は、吸収熱エネルギー密度の高いコレクタ出口側の加熱部で行われる。その結果、熱交換器を通して熱エネルギーの伝達を行わず、またコレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、ノズルから噴出された後の作動媒体をコレクタでの加熱部による直接加熱により過熱して高圧蒸気にすることができる。
【０００７】
この発明において、コレクタの入口側の加熱部の内部で作動媒体を循環させる循環手段を設けても良い。このように、コレクタの入口側の加熱部の内部で作動媒体を循環させることにより、限られたエネルギー密度でも作動媒体が獲得できる熱量を大きくすることができる。また、循環させることで作動媒体の流速を速くすることができるため、熱伝達率が向上し、太陽熱エネルギーを効率良く作動媒体に伝達できる。
【０００８】
この発明において、前記コレクタにおける前記加熱部をコレクタ外装体内に配置し、このコレクタ外装体内を真空引きする手段を設けても良い。このように、コレクタ外装体内を真空引きすることで、自然対流熱伝達による熱損失を低減でき、太陽熱エネルギーを効率良く作動媒体に伝達できる。
【０００９】
この発明において、前記タービンと発電機ロータとを連結する主軸を、非接触軸受によって支持しても良い。この構成の場合、タービンと発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受で回転自在に支持するため、軸受に潤滑剤が不要となる。そのため、主軸を回転支持する軸受の潤滑剤が高熱の作動媒体で劣化するといった事態が生じる恐れがない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。
【００１０】
この発明において、前記発電機の回転部部と静止部分との間の一部に隔壁を有するものとしても良い。このように発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を設けることにより、発電機ステータ部におけるコイル表面の絶縁皮膜や、コイルを保護しているモールド樹脂が、作動媒体である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるといった事態を回避できる。
【００１１】
この発明において、前記タービンは前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成しても良い。タービン翼車をプラスチック材料製とすると、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴射させ、ノズルから噴射した蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって発電機ロータを回転させることによって、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記コレクタの熱エネルギーを吸収して作動媒体を加熱する部分である加熱部を、互いにエネルギー密度が異なり、コレクタの入口側および出口側となる複数の加熱部からなるものとしたため、コレクタとは別に、ヒータ等の加熱手段を付加することなく、コレクタでの熱エネルギー吸収により作動媒体を加熱して高圧蒸気にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽光を集光して太陽熱を吸収するコレクタ１と、タービン５および発電機６を有するタービンユニット２と、コレクタ１とタービン５の間で作動媒体３を循環させる作動媒体循環路４とを備える。
作動媒体循環路４は、前記コレクタ１で直接的に加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気として前記タービン５に噴出させタービン５を回転駆動するノズル８と、タービン５の回転に使用された作動媒体３を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ１に循環供給するポンプ１０とを有する。
【００１４】
図２は、コレクタ１の熱エネルギーを吸収して作動媒体循環路４内を流れる作動媒体３を加熱する加熱部１２の平面図を示す。この加熱部１２は、コレクタ１の外装体２２内に集熱経路として配置される作動媒体循環路４のうち、コレクタ入口側の部分で構成される入口側加熱部１２Ａと、コレクタ出口側の部分で構成される出口側加熱部１２Ｂとでなる。これら両加熱部１２Ａ，１２Ｂはコレクタ１から吸収する熱エネルギーの密度が互いに異なり、入口側加熱部１２Ａのエネルギー密度は低くされ、出口側加熱部１２Ｂのエネルギー密度は高くされている。
【００１５】
具体的には、入口側加熱部１２Ａは、集熱経路のコレクタ入口側の部分を、コレクタ外装体２２の平面部に沿うパネル状の容器１３として構成したものである。このパネル状容器１３は、選択吸収膜をメッキした銅板などで形成され、作動媒体３の流入口１３ａと流出口１３ｂとを有する。入口側加熱部１２Ａの内部に流入した作動媒体３は、ここで加熱されて液体から蒸気に変えられる。
これに対して、出口側加熱部１２Ｂは、集熱経路のコレクタ出口側の部分を、蛇行状に配置された銅パイプ１４で構成すると共に、その蛇行状銅パイプ１４の下側にコレクタ外装体２２の平面部に沿う反射板１５を配置したものである。蛇行状銅パイプ１４は、固定部材２３を介してコレクタ外装体２２に固定される。反射板１５は、コレクタ１の熱エネルギーを蛇行状銅パイプ１４からなる集熱経路に反射させるものである。このように反射板１５を用いて集光面積を大きくすることで、出口側加熱部１２Ｂの吸収熱エネルギー密度を大きくすることができる。これにより、出口側加熱部１２Ｂにおける銅パイプ１４の温度は、入口側加熱部１２Ａにおける銅板製のパネル状容器１３の温度よりも上昇し、入口側加熱部１２Ａで蒸気になった作動媒体３が出口側加熱部１２Ｂでさらに加熱される。この加熱された蒸気は、作動媒体循環路４のポンプ１０によりノズル８へ供給される。
【００１６】
図３は、パネル状容器１３として構成された入口側加熱部１２Ａの内部構造の一例を示す平面図である。この構成例では、入口側加熱部１２Ａの内部で作動媒体３を循環させる循環手段２４として、パネル状容器１３の内部中央に循環翼が設けられている。この循環翼２４がないと、パネル状容器１３内で作動媒体３はほとんど止まった状態となるが、循環翼２４で循環させることで作動媒体３の流速が速くなり、パネル状容器１３から作動媒体３への熱伝達率が向上するほか、作動媒体３の単位質量当たり獲得できる熱量［J/Kg］も大きくなるといった利点がある。
【００１７】
図４は、入口側加熱部１２Ａにおける循環手段２４の他の構成例を示す平面図である。この構成例では、パネル状容器１３内に、その内部空間をコ字状に仕切る隔壁２５を設けると共に、そのコ字状内部空間の両端間を外部のポンプ付き連通路２６で連通させることで循環路が構成され、連通路２６のポンプ２７により作動媒体３が前記循環路を循環させられる。
【００１８】
また、前記コレクタ１における加熱部１２が配置される外装体２２内は、真空引き手段２９（図２）により真空引きされる。これにより、コレクタ１内での自然対流熱伝達による熱損失が低減される。
【００１９】
図５はタービンユニット２の拡大断面図を示し、図６は図５におけるVI−VI矢視断面図を示す。タービンユニット２の発電機６は、回転部分である発電機ロータ６Ａと静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなり、タービン５と発電機ロータ６Ａとは主軸７で連結されている。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ型発電機であり、主軸７に形成したフランジ部７ａの周面に設けられた発電機ロータ６Ａに対して、軸方向に所定のギャップを介して１対の発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂが対向配置されている。これにより、タービン５のタービン翼車５ａの回転が発電機ロータ６Ａの回転となり、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電はコントローラ１１（図１）によって制御される。
発電機６の回転部分と静止部分との間の一部には隔壁２１が設けられる。具体的には、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂの表面が隔壁２１で被覆保護されている。このように発電機ステータ部６Ｂを隔壁２１で被覆保護することにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
【００２０】
主軸７は非接触軸受１６によって回転自在に支持される。
タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン５のタービン翼車５ａが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチック材料としては、例えばＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）等が好適である。タービン５をプラスチック材料製とした場合は、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体３に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。ＰＥＥＫ材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン５の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００２１】
タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８にタービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の外周側には、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱されて蒸気となった作動媒体３を流入させる給気ポート１９が、タービンユニット２の外周壁２ａを貫通して設けられている。タービン翼車５ａの一端の回転中心部には、タービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３を作動媒体循環路４の下流部に流出させる排気ポート２０が開口させてある。
【００２２】
このように構成されたタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン５の外周側のノズル８からタービン翼車５ａに噴射されることで、タービン翼車５ａが回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン翼車５ａの内周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。
【００２３】
上記構成による太陽熱発電システムの動作を説明する。コレクタ１によって太陽熱を獲得し、獲得した熱エネルギーを、コレクタ１内の加熱部１２で作動媒体循環路４内の作動媒体３に与えることにより、作動媒体３の蒸気圧力を高める。この場合、加熱部１２による加熱過程として、作動媒体３の液体温度を上昇させる過程（１）と、作動媒体３を液体から蒸気にする過程（２）と、蒸気になった作動媒体３の温度を上昇させる過程（３）がある。加熱部１２は、吸収熱エネルギー密度の低いコレクタ入口側の加熱部１２Ａと、吸収熱エネルギー密度の高いコレクタ出口側の加熱部１２Ｂとでなるので、これらの加熱部１２Ａ，１２Ｂにより上記したそれぞれの過程の加熱が分担して行われる。すなわち、作動媒体３の沸点まで温度を上昇させれば良い過程（１），（２）の加熱は、吸収熱エネルギー密度の低いコレクタ入口側の加熱部１２Ａで行われ、蒸気になった作動媒体３の温度をさらに上昇させる過程（３）の加熱は、反射板１５による集光機能を備える吸収熱エネルギー密度の高いコレクタ出口側の加熱部１２Ｂで行われる。その結果、従来例で挙げたような熱交換器を通して熱エネルギーの伝達を行うといった構成を採用することなく、あるいはコレクタ１とは別にヒータ等の加熱手段を付加することなく、ノズル８から噴出した後の作動媒体３をコレクタ１での加熱部１２により直接加熱して作動媒体３を高圧蒸気にすることができる。
【００２４】
コレクタ入口側の加熱部１２Ａでは、パネル状容器１３内の作動媒体３を図３や図４の構成例の循環手段２４で循環させるので、限られた吸収熱エネルギー密度であっても、作動媒体３が獲得できる熱量を大きくすることができる。また、加熱部１２Ａ内で作動媒体３を循環させることで流速を速くすることができるため、熱伝達率が向上し、太陽熱エネルギーを効率良く作動媒体３に伝達できる。
また、コレクタ１の内部を真空引き手段２９（図２）で真空引きするので、コレクタ１内部での自然対流熱伝達による熱損失が低減され、太陽熱エネルギーをより効率良く作動媒体３に伝達できる。
加熱部１２で加熱された作動媒体３の高圧蒸気はノズル８を介してタービン５に噴射され、これによりタービン５が回転駆動される。タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。このように、タービン５の回転が電気エネルギーに変換される。
タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は、ポンプ１０によってコレクタ１まで輸送されるが、その間に復水器９によって完全に液体に戻る。
【００２５】
タービン５と発電機ロータ６Ａとを連結する主軸７は、非接触軸受１６で回転自在に支持しているので、軸受の潤滑剤が不要となる。潤滑剤を用いないため、作動媒体３としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の回転自在な支持に問題が生じることはない。その結果、作動媒体３の種類に制限を受けることなく、タービン５の長期回転が可能となる。また、非接触軸受１１で主軸７が支持されていることから、回転トルクロスが少なく、エネルギ変換効率低下を極力低減できる。そのため、エネルギーロスを極力低減したいこのような熱発電システムでは最適となる。
【００２６】
また、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂの表面が隔壁２１で被覆保護されているので、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイルの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
また、タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成されるので、僅かな噴出力でも回転できるようになる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、発電機６としてアキシャルギャップ型発電機を用いたが、ラジアルギャップ型発電機を用いても良い。また、上記実施形態の構成において、コレクタ１だけでは作動媒体３の獲得する熱エネルギーが足りない場合には、作動媒体循環路４におけるコレクタ１とノズル８との間に別途加熱部を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。
【図２】同熱発電システムにおけるコレクタ内部の加熱部の構成を示す平面図である。
【図３】同加熱部におけるコレクタ入口側加熱部の循環手段の一構成例を示す平面図である。
【図４】コレクタ入口側加熱部の循環手段の他の構成例を示す平面図である。
【図５】熱発電システムにおけるタービンユニットの拡大断面図である。
【図６】図５におけるVI−VI矢視断面図である。
【図７】従来例の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…コレクタ
３…作動媒体
５…タービン
６…発電機
７…主軸
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
１２…加熱部
１２Ａ…コレクタ入口側加熱部
１２Ｂ…コレクタ出口側加熱部
１６…非接触軸受
２１…隔壁
２２…コレクタ外装体
２４…循環手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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